數(shù)字化智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法

隨著無(wú)人機(jī)和多電飛機(jī)的發(fā)展，更高的功率和效率成了機(jī)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要研究方向之一。

現(xiàn)有的Si MOSFET開關(guān)速度雖快，但耐壓和耐流能力有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大功率輸出，而IGBT由于存在關(guān)斷拖尾電流，開關(guān)速度較慢，開關(guān)損耗較大。

SiC MOSFET的高耐壓、高開關(guān)速度能有效提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率和效率，但更高的開關(guān)速度和更大的功率對(duì)驅(qū)動(dòng)器的快速響應(yīng)能力和故障快速保護(hù)能力提出了更高的要求。

此外，舵機(jī)控制器內(nèi)部兼具功率驅(qū)動(dòng)電路和信息處理電路，SiC MOSFET功率驅(qū)動(dòng)電路高速開關(guān)帶來(lái)的電磁干擾問題會(huì)影響信息處理電路部分工作，有甚者會(huì)影響到上級(jí)系統(tǒng)工作。

這對(duì)舵機(jī)控制器信息處理電路及上級(jí)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)提出了較高要求。

如何突破舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)瓶頸，解決SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)難題，提高舵系統(tǒng)可靠性和抗干擾性能成為業(yè)內(nèi)探索的一個(gè)熱門方向。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理電路數(shù)字化、智能化、集成化設(shè)計(jì)以成為一種發(fā)展趨勢(shì)，也為解決上述難題提供了一個(gè)新思路。

通過將Si基功率器件替換為SiC MOSFET，可以有效提高功率電路的電壓、電流等級(jí)，同時(shí)其較高的開關(guān)速度也能降低開關(guān)損耗，提高驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)控制性能。

然而，由于SiCMOSFET的高速開關(guān)行為，會(huì)給驅(qū)動(dòng)電路引入橋臂串?dāng)_和高頻電磁干擾，且開關(guān)頻率提升后，死區(qū)時(shí)間占整個(gè)周期的比例變大，會(huì)增加電機(jī)的電壓電流波形畸變，影響電機(jī)性能，同時(shí)高速開關(guān)要求控制電路有更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要針對(duì)SiC MOSFET的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

而數(shù)字化、智能化的設(shè)計(jì)思路可以有效解決SiC MOSFET帶來(lái)的問題，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在這一設(shè)計(jì)中，功率驅(qū)動(dòng)單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)是重要一環(huán)，如何實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)單元與數(shù)字信息處理單元的數(shù)據(jù)交互，如何在信息處理平臺(tái)與功率驅(qū)動(dòng)單元相距5～10米的遠(yuǎn)距離條件下實(shí)現(xiàn)兩者長(zhǎng)距傳輸通訊抗干擾，如何在不同負(fù)載條件下對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的自適應(yīng)優(yōu)化，如何在故障后盡快且盡量安全的對(duì)功率電路進(jìn)行保護(hù)是重要的研究?jī)?nèi)容。

本文針對(duì)基于SiC MOSFET的三相全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用場(chǎng)景，提供一種數(shù)字化智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)方法，為解決SiC MOSFET智能驅(qū)動(dòng)問題、數(shù)字電路與功率驅(qū)動(dòng)電路數(shù)據(jù)交互抗干擾問題、橋臂串?dāng)_問題、死區(qū)時(shí)間自適應(yīng)優(yōu)化問題、功率驅(qū)動(dòng)器過流過壓保護(hù)問題、電機(jī)霍爾及位置傳感器供電問題等提供一種行之有效的解決方案。

該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有磁耦隔離、二次電源變換、霍爾換相控制、過壓泄放抑制、過流限流保護(hù)、短路軟關(guān)斷保護(hù)、死區(qū)時(shí)間自適應(yīng)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)參數(shù)智能調(diào)節(jié)、溫度采樣、電流采樣等功能，能夠根據(jù)數(shù)字信息處理平臺(tái)傳來(lái)的差分式PWM信號(hào)及方向信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一路舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，能夠?qū)Χ鏅C(jī)運(yùn)行過程中反電動(dòng)勢(shì)造成的過壓浪涌進(jìn)行泄放抑制，能夠?qū)Χ鏅C(jī)工作電流進(jìn)行限流，能夠在短路故障時(shí)及時(shí)安全的關(guān)斷功率電路，能夠根據(jù)功率回路電流大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，能夠根據(jù)負(fù)載條件自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，能夠通過差分總線實(shí)時(shí)反饋舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度、電流，能夠?qū)?a target="_blank">CAN接口反饋位置傳感器和電機(jī)霍爾進(jìn)行供電，并完成反饋位置傳感器與信息處理平臺(tái)信息交互的中轉(zhuǎn)。

圖一?基于SiC MOSFET的三相全橋數(shù)字化智能驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)及接口布局圖

為實(shí)現(xiàn)上述目的，采取以下技術(shù)方案。第一方面，提供一種基于SiCMOSFET的三相全橋數(shù)字化智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由功率板、調(diào)理板及結(jié)構(gòu)體構(gòu)成，無(wú)內(nèi)置軟件。包括功率板、調(diào)理板及結(jié)構(gòu)體構(gòu)成；

圖2 基于SiC MOSFET的三相全橋數(shù)字化智能驅(qū)動(dòng)器功能框圖。

功率板采用鋁基電路板，主要用于實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換、功率驅(qū)動(dòng)、能量泄放及電流采樣等功能，包含防倒灌電路、泄放電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、功率橋式電路、過流保護(hù)電路、電流隔離采樣電路部分，利用鋁基電路板散熱良好的優(yōu)勢(shì)，將鋁基電路板與散熱結(jié)構(gòu)體固聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)器的良好散熱。

調(diào)理板采用FR4環(huán)氧樹脂板，用于實(shí)現(xiàn)接口信號(hào)處理、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、狀態(tài)監(jiān)控、故障保護(hù)等功能，主要包含信號(hào)處理電路、差分接口電路、磁隔離接口電路、隔離電源變換電路、二次電源變換電路、霍爾接口電路、霍爾換相邏輯變換電路、電流采樣轉(zhuǎn)換電路、溫度采樣電路。所述結(jié)構(gòu)體主要用于固聯(lián)功率板和調(diào)理板，并為功率器件提供良好的散熱載體。

圖3 隔離差分轉(zhuǎn)換、溫度和電流采樣以及電源變換電路原理框圖。

防倒灌電路，針對(duì)功率電路和控制電路單獨(dú)設(shè)計(jì)，功率電路部分選用1200V耐壓，120A額定過電流能力的功率二極管，串入功率驅(qū)動(dòng)器電源正線中，用于防止電機(jī)制動(dòng)時(shí)功率母線VP的電流倒流至供電電源輸入端；控制電路部分選用耐壓250V，額定過電流能力6A的功率二極管，串入功率驅(qū)動(dòng)器電源正線中用于防止控制母線VK的電流倒流至供電輸入端； 泄放電路，采用PMOS作為功率控制器件，采用功率電阻作為耗散負(fù)載，當(dāng)防倒灌功率二極管后級(jí)電壓大于二極管前級(jí)電壓3V以上時(shí)，PMOS器件導(dǎo)通，功率母線VP上的電流經(jīng)電阻進(jìn)行泄放，從而避免母線電壓進(jìn)一步上升，其中泄放電阻采用外置方式。

圖4 泄放電路原理圖。

功率驅(qū)動(dòng)電路，采用BM6104?FV作為驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片根據(jù)霍爾換相邏輯電路計(jì)算輸出的PWM信號(hào)，將控制信號(hào)放大，輸出用于三相橋式電路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

BM6104?FV內(nèi)部集成了短路保護(hù)功能及有源篏位輸出功能。短路保護(hù)功能可以檢測(cè)SiC MOSFET漏源電流大小，在過流時(shí)會(huì)通過大電阻回路PROOUT進(jìn)行軟關(guān)斷，在緩沖時(shí)間內(nèi)若電流恢復(fù)正常，則后續(xù)驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)恢復(fù)正常工作，若緩沖時(shí)間過后仍檢測(cè)到過電流，則判定為短路，進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)斷。

軟關(guān)斷電路一方面可以及時(shí)限制過流，另一方面也留出緩沖，避免瞬間關(guān)斷過電流功率回路導(dǎo)致瞬態(tài)電流變化率過高產(chǎn)生的極限尖峰電壓將功率器件甚至整個(gè)驅(qū)動(dòng)器擊穿。有源篏位輸出功能可以在驅(qū)動(dòng)電路的正常工作中依時(shí)序在功率器件關(guān)斷后將有源米勒篏位MOSFET打開，通過米勒電容吸收高頻開關(guān)及橋臂串?dāng)_對(duì)驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生的干擾電壓，同時(shí)在功率器件開通前將有源米勒篏位MOSFET關(guān)斷，切斷米勒電容與柵源極的連接，避免影響SiC MOSFET的高速開關(guān)。

三相功率橋式電路，由3個(gè)耐壓不小于1200V，過電流能力不小于400A的SiC MOSFET半橋功率模塊通過橋式連接方式構(gòu)成，橋式電路母線上并聯(lián)容值不小于100uF，耐壓不小于1200V的無(wú)極性電容器。

過流保護(hù)電路，利用SiC MOSFET的輸出特性，結(jié)合功率驅(qū)動(dòng)芯片BM6104?FV內(nèi)置的去飽和檢測(cè)電路，通過調(diào)節(jié)分壓電阻的值來(lái)確定過流電流對(duì)應(yīng)的漏源電壓，由于去飽和電壓與功率電流存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以通過SiC MOSFET的負(fù)載特性確定限流電流的大小，例案中的設(shè)計(jì)值為120A。

電流隔離采樣電路，采用ACS712（或CH701)隔離電流采樣芯片，對(duì)電源輸入的電流進(jìn)行采樣，并經(jīng)過PWM調(diào)制電路，調(diào)制成PWM波，經(jīng)差分接口電路輸出，用于數(shù)字處理平臺(tái)對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 過流采樣及保護(hù)電路原理圖。

信號(hào)處理電路主控芯片采用DSP控制，接收差分電路發(fā)出的PWM形式的電流采樣信號(hào)和溫度采樣信號(hào)以及指令信號(hào)，通過運(yùn)算得出相應(yīng)的PWM控制信號(hào)及F/R方向信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路。 差分接口電路采用AM26LS31和AM26LS32作為差分接口芯片，該器件兼容RS422接口電平形式，其中AM26LS31用于發(fā)送PWM形式電流采樣信號(hào)和PWM形式溫度采樣信息，將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS422A差分信號(hào)。

AM26LS32用于接收差分舵機(jī)控制PWM信號(hào)和FR方向控制信號(hào)，將RS422A差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)。

圖6是?有源篏位抗串?dāng)_電路原理圖。

隔離電源變換電路用于將二次電源變換電路變換出來(lái)的12V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成5V隔離電壓信號(hào)用于為磁隔離轉(zhuǎn)換電路、差分接口電路及反饋位置傳感器供電。

二次電源變換電路用于將功率母線電壓轉(zhuǎn)換成12V控制電源，具備不小于5W的功率輸出能力，為功率驅(qū)動(dòng)器及霍爾傳感器供電，并通過LDO轉(zhuǎn)換出非隔離5V信號(hào)用于磁隔離芯片功率端供電。

圖7? 功率橋式電路框圖

霍爾接口電路用于接收電機(jī)霍爾信號(hào)，采用RC濾波電路進(jìn)行濾波，并使用齊納二極管對(duì)端口進(jìn)行保護(hù)，霍爾接口電路輸入端上拉10k歐姆電阻至霍爾電源。 霍爾換相邏輯變換電路，根據(jù)將霍爾信號(hào)、PWM信號(hào)及方向信號(hào)，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，按照受限單極性驅(qū)動(dòng)方式輸出6路PWM控制信號(hào)。

電流采樣轉(zhuǎn)換電路，將電流采樣電路輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成2KHz的PWM波，并輸出給差分接口電路。 溫度采樣電路，采用PWM接口形式溫度傳感器，該傳感器采用隔離5V供電，溫度采樣范圍?55℃～150℃。PWM輸出的溫度信號(hào)經(jīng)差分轉(zhuǎn)換后輸出。 ?

? 圖8 基于SiC MOSFET的三相全橋數(shù)字化智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖。 ? 文章中提到的CH701霍爾電流傳感器IC，是工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中交流或直流電流傳感的經(jīng)濟(jì)而精確的解決方案。小封裝是空間受限應(yīng)用的理想選擇，同時(shí)由于減少了電路板面積而節(jié)省了成本。典型應(yīng)用包括電機(jī)控制、負(fù)載檢測(cè)和管理、開關(guān)電源和過電流故障保護(hù)。?

CH701可以檢測(cè)到50A峰值的電流。

如果需要檢測(cè)更大電流，需要更高的隔離電壓，可以選擇更大電流范圍的產(chǎn)品，比如16腳的CH701W系列，電流范圍可以到70A，絕緣耐壓可以到4800Vrms：

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審核編輯：劉清